Las branquias y los pulmones se parecen mucho entre sí , desde un punto de vista fisiológico. Están altamente vascularizados y tienen una gran relación superficie-volumen, para tener la mayor eficiencia de intercambio de gases posible.

Los pulmones funcionan bien para el aire porque permiten la ventilación a través del bombeo de aire. Expándase para atraer aire rico en oxígeno, contráigase para expulsar aire pobre en oxígeno. Esto falla bajo el agua porque este último es (aproximadamente) setecientas veces más denso y cien veces más viscoso que el aire. También es prácticamente incompresible. Bombear agua dentro y fuera de un pulmón requiere tanta fuerza y ​​energía que la respiración bajo el agua se vuelve ineficiente, razón por la cual nos ahogamos.

Las branquias, por otro lado, están adaptadas a las características del agua como fluido. De Wikipedia :

La densidad del agua evita que las branquias se colapsen y queden unas encima de otras, que es lo que sucede cuando se saca un pez del agua.

¿Qué tal si le das a tu sirena algún tipo de pulmón de fluido flexible?

Que tenga un sistema de garganta muy parecido al nuestro, pero en lugar de ser una colección de bolsas de aire, sus pulmones son cavidades huecas. Dentro de estas cavidades hay un gran conjunto de branquias. Deje que la sirena también tenga uno o más pares o hendiduras en sus costados, justo debajo de las costillas inferiores y conectadas a esos pulmones. Estas ranuras pueden variar en tamaño, digamos de cinco a doce pulgadas de largo según el gusto de diseño de su criatura. También se pueden ubicar más frontalmente si lo desea.

Cuando está bajo el agua, respira como un pez, solo que con un circuito más largo para que fluya el agua. Toma agua de la boca y la nariz, la deja pasar a través del sistema branquial/pulmonar ("¿gillung"?), y luego la bombea a través de las costillas.

Para respirar aire, primero expulsa agua a través de las ranuras de las costillas y luego las cierra. Ahora puede bombear aire dentro y fuera de sus "gillungs" (realmente me gusta este neologismo) como un ser humano. Solo tiene que mantener un poco de agua para mantener sus branquias internas húmedas, de modo que no colapsen unas sobre otras (así es como respiran los cangrejos terrestres). Podría desarrollar algún fluido corporal, tal vez algo de mucosidad, para asegurarse de que sus branquias no se sequen rápidamente.

Esto sería muy ventajoso para ella. Citando de nuevo a Wikipedia:

En agua dulce, el contenido de oxígeno disuelto es de aproximadamente 8 cm ³ /L comparado con el del aire que es de 210 cm ³ /L.

Para que ella tenga una tasa metabólica como la de un humano, si solo está respirando agua, tendrá que depender de la ventilación ram. Es decir, tendrá que estar nadando constantemente para obtener suficiente oxígeno, como un tiburón. Eso requeriría mucha energía. Pero el hecho de que también pueda respirar aire significa que puede ir a la superficie para recibir oxígeno de vez en cuando.

Agregue una concentración muy grande de mioglobinina a sus músculos y podría mantener ese impulso durante inmersiones largas, como lo hacen las ballenas. Con la ventaja de que no se ahogará si pasa demasiado tiempo buceando en las profundidades, simplemente volverá a su metabolismo más lento hasta la próxima vez que salga a la superficie.

Ah, y sobre la sal...

Simplemente use las mismas soluciones que la naturaleza ya ha encontrado. Una gran tolerancia a la urea, como los tiburones; y súper riñones como los de los cetáceos. Esta es en realidad la parte que requiere la menor suspensión de la incredulidad de la OMI.

1- Una criatura no tiene que poder respirar bajo el agua para tener éxito en el agua

Hay muchos ejemplos de criaturas que contienen la respiración durante tanto tiempo que pueden pasar más tiempo bajo el agua que sobre ella. Los ejemplos incluyen ballenas, delfines, tortugas e hipopótamos. En lugar de darle a su criatura la capacidad de absorber oxígeno bajo el agua, simplemente puede darle grandes pulmones y permitir que su sangre absorba concentraciones de oxígeno mucho más altas de las que tiene ahora.

2- Algunas tortugas pueden absorber oxígeno a través de sus anos

Aquí está la referencia a la declaración anterior. Su criatura no tiene que tener su órgano de absorción de oxígeno en la parte posterior de su cuerpo, sino en cualquier lugar donde pueda permitirse darle un área de superficie lo suficientemente grande (sugiero el área del abdomen). La absorción de oxígeno de esta manera es un proceso pasivo, lo que significa que la criatura no tiene que hacer nada conscientemente para absorber oxígeno. El proceso continúa por las funciones corporales que se llevan a cabo por sí mismas (reguladas por la columna vertebral, en lugar del cerebro).

3- Branquias

Los peces tienen branquias y son muy efectivos para respirar bajo el agua. Puedes usar el mismo aparato para tu criatura.

la respiración básicamente se reduce al intercambio de gases a través de una membrana semipermeable. Por lo general, esta membrana tiene que permanecer húmeda para funcionar correctamente, por lo que por encima del agua, está limitado a mantener húmeda a toda la criatura (salamandras sin pulmones, muchos invertidos como platelmintos) o mantener una membrana húmeda encerrada en una cámara dentro del cuerpo mientras el resto del cuerpo tiene una barrera a la pérdida de humedad (pulmones de vertebrados, branquias en las bolsas de las mejillas de saltamontes, pulmón de libro de arañas, etc.).

Esto es un poco diferente de la pregunta salada vs fresca. En el agua, las membranas semipermeables no solo van a permitir el movimiento de los gases disueltos, sino también del agua, que va a querer alcanzar el equilibrio con el agua del otro lado de la membrana. Entonces, si de un lado tenemos un fluido denso y del otro lado un fluido menos denso, el agua fluirá del lado menos denso hacia el lado más denso. El desafío del organismo es equilibrar esto para que no salte del agua tratando de diluir su fluido interno o se seque a medida que el agua es succionada para equilibrarse con el mar circundante más salado.

En los peces, por ejemplo, en agua dulce, tienen que bombear agua para mantener el equilibrio, de modo que a medida que el agua penetra a través de las branquias, los riñones la bombean. Si se dañan los riñones, el pez se hidropesa y se hincha como una piña. En los peces marinos, tienen que beber agua y filtrar y excretar el exceso de sal. Ambas estrategias funcionan parcialmente porque los peces no son completamente permeables en todo su cuerpo. El intercambio de líquidos y gases se limita a regiones pequeñas (branquias, intestinos, pulmones u otros órganos modificados en algunas especies).

La otra estrategia es tratar de igualar la densidad del fluido por dentro y por fuera (osmoconformidad), que es más o menos lo que hace la rana cangrejera al almacenar urea para hacer que su fluido interno coincida con la densidad del agua salina que la rodea. La mayoría de los invertidos marinos son osmoconformadores hasta cierto punto.

Todo esto está un poco fuera de tema y es una gran simplificación, pero solo quería explicar un poco por qué algunas criaturas se limitan al agua dulce o salada. No está relacionado específicamente con respirar aire o bajo el agua, pero ambos implican el intercambio a través de membranas, por lo que tal vez sea útil aclarar esto brevemente.

Sé que estoy rompiendo tu regla desde el principio, pero creo que los peces que respiran aire son informativos y cualquier respuesta implicará los mismos conceptos básicos que comparten con los anfibios: absorber aire a través de una membrana húmeda. Para los anfibios es su piel, para los peces es interno, mejillas/branquias o pulmón primitivo. Me imagino que este sería el mecanismo más razonable para un vertebrado como una sirena: pulmones además de branquias o branquias internas en una cámara que puede contener agua que puede mantenerse saturada con oxígeno disuelto al tragar aire cuando está sobre la superficie.

Alternativamente, mira a los artrópodos. Muchos cangrejos y cangrejos de río son anfibios en diversos grados.

La piel de los anfibios necesita permanecer húmeda además de permeable. Por lo tanto la sal entraría en el organismo.

Fuente: https://www.reddit.com/r/askscience/comments/3isp06/why_are_there_no_saltwater_amphibians/

Mi propuesta es hacer que tengan la capacidad de la rana mencionada para tolerar el agua salada, o simplemente no dejar que sean criaturas anfibias sino permitirles contener la respiración durante mucho tiempo. Ya sea por medio de requisitos bajos de oxígeno, o almacenando aire u oxígeno concentrado en algún lugar dentro de sus cuerpos.

Básicamente, Steppingonants tiene razón al copiar el diseño de las branquias del cangrejo para que respiren dentro y fuera del agua. Más explicación sobre esto se puede ver aquí. https://www.thoughtco.com/how-do-crabs-breathe-2291887 Sin embargo, hay un problema con el sistema de respiración: mientras que la salida de las branquias puede ser lo suficientemente ancha entre las costillas, los orificios nasales aún son demasiado pequeños . No olvide que el oxígeno disuelto en el agua ronda el 1% en comparación con el 21% en el aire. http://www.lakeaccess.org/russ/oxygen.htm

Debe modificar la ubicación de la entrada para acomodar entradas de agua más grandes. ¿Tal vez dos aberturas sobre los hombros, entre la costilla superior del pecho y la costilla trasera? El diafragma todavía puede cumplir su acción. Las entradas y salidas se abren y cierran alternativamente y permiten el flujo en una dirección. Al igual que los cangrejos, las aberturas se cierran fuera del agua para retener la humedad y respiran por la nariz. Deben expulsar el exceso de agua al tomar la primera bocanada de aire.

la rana cangrejera tiene cierta tolerancia al agua salada, tiene riñones y piel especializados para hacer frente a la sal.

No estoy seguro de por qué te resistes a mirar al pez pulmonado, habría pensado que sería el mejor ejemplo de algo que funciona de forma similar a como lo haría en teoría una sirena con branquias y pulmones.

Hice una pregunta similar, y se refería a la biología de uno de mis personajes. Para que sus branquias no se peguen en tierra, segregan esta película que también las mantiene húmedas, y para que sus pulmones no se llenen de agua, habría una especie de sistema hidráulico que sacaría el exceso de líquido de los pulmones, y desviarlo junto con las partículas de desecho, a través de las branquias. Y un sistema similar podría funcionar para tus criaturas que pueden vivir tanto en la tierra como en el agua.